„Glutenfreier“ Weizen - Justus-Liebig

„Glutenfreier“ Weizen
Neue Hoffnung für Zöliakiepatienten?
Von Gregor Langen, Karl-Heinz Kogel und Diter von Wettstein
12
Justus-Liebig-Universität Gießen
„Glutenfreier“ Weizen
Glutenunverträglichkeit und die
daraus resultierende glutensensitive Enteropathie, auch Zöliakie
genannt, ist eine der häufigsten auf
Lebensmittelunverträglichkeit beruhenden Autoimmunerkrankungen in
westlichen Zivilisationen. Bis zu 2%
der europäischen Bevölkerung sind
von der Erkrankung betroffen; die
Dunkelziffer der „Stillen Zöliakie“
ist um ein Vielfaches höher, da milde und atypische Symptome eine Diagnose erschweren. Die Krankheit
tritt im Kindes- und Erwachsenen­
alter auf und ist nicht heilbar, jedoch
kann eine konsequente Vermeidung
des auslösenden Lebensmittel­
bestandteils, des Getreideglutens,
zum Rückgang der Entzündungen
des Darmepithels führen, so dass
schwerer wiegende Schädigungen
und Folgeerkrankungen vermieden
werden können, wenn die Zöliakie
rechtzeitig diagnostiziert wird.
Vielleicht könnte man aber auch
Getreide herstellen, das keine Glutenunverträglichkeit provoziert. Mit
dieser Fragestellung befassen sich
Pflanzenforscher an der Universität
Gießen in Zusammenarbeit mit einer chinesischen und einer amerika-
G
luten, auch als Klebereiweiß
bezeichnet, ist in vielen Getreiden enthalten (Tabelle 1). Weizengluten ist eine Mischung von 149
Reserveproteinen (110 Prolamine und
39 Proteine mit niedermolekularem
Gewicht). Verschiedene Zöliakiepatienten reagieren mit einer Autoimmunreaktion auf unterschiedliche Prolamine.
Die Autoimmunreaktion ruft eine Entzündung der Mikrovilli des Dünndarmes hervor (Abb. 1). Dies hat zur Folge,
dass die Zotten sich zurückbilden, und
durch die Verringerung der Oberfläche
des Dünndarms können nicht mehr
genügend Nährstoffe aufgenommen
werden (Malabsorption). So entstehen
im Laufe der Erkrankung Nährstoffdefizite, die eine Reihe von Beschwer-
den auslösen. Mangelerscheinungen,
wie z.B. Nachtblindheit, Osteoporose,
Hautveränderungen, Veränderungen
am Nerven- und Muskelsystem, Blutgerinnungsstörungen oder Blutarmut
sind bei fortgeschrittener Krankheit
mögliche Folgen der schlechteren Aufnahme von Nahrungsbestandteilen.
Oligosymptomatische Formen können
lange unerkannt bleiben und zu Kleinwuchs und Eisenmangel führen. Bei
zunehmender Erkrankungsdauer steigt
laut Deutscher Zöliakie-Gesellschaft
das Risiko für weitere Autoimmunerkrankungen, wie Diabetes mellitus.
Die autoimmune Reaktion resultiert
aus den toxischen Eigenschaften bestimmter Proteine des Weizenmehls,
die bei der Passage durch den Verdauungstrakt nicht vollständig gespalten
werden (Abb. 2). Dies betrifft insbesondere Glutene, die einen hohen Anteil an den Aminosäuren Prolin und
Glutamin aufweisen. Diese speziellen
Glutene werden als Prolamine bezeichnet. Prolaminfragmente werden
nach unvollständigem Abbau der Prolamine im Dünndarm in die Lamina
propria aufgenommen und initiieren
nischen Arbeitsgruppe.
Weizenpflanzen, die mit künstlichen MicroRNAs zur Inaktivierung
des DEMETER-Gens transformiert
wurden.
Abb. 1. Histologische Schnitte des
Dünndarm-Epithels von Biopsien aus
Zöliakie-Patienten nach Einnahme
von Getreide enthaltenden Speisen.
A und B, Partielle bzw. totale Zerstörung der Zotten der Darmschleimhaut; C, Darmschleimhaut mit normal
ausgebildeten Zotten eines gesunden
Menschen. [aus: Richard J. Farrell &
P.Kelly, Celiac Sprue. N. Engl. J. Med.
vol. 346, 3, p 185, 2002].
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2011
13
Langen, Kogel, von Wettstein
Abb. 2: Wirkungsweise der durch
Glutenaufnahme ausgelösten Autoimmunreaktion im Darm. In Getreideprodukten enthaltene Glutenbestandteile, die Prolamin-Reserveproteine,
werden unvollständig im Darm
verdaut. Die entstehenden Peptide
werden aufgenommen und im
Bindegewebe von einer Transglutaminase deamidiert, wodurch neue
Epitope entstehen, die in ZöliakiePatienten toxisch wirken: Zellen des
Immunsystems mit den Rezeptoren
HLA-DQ2 oder HLA-DQ8 nehmen die
Peptide auf und präsentieren sie an
ihrer Oberfläche (APZ: Antigen-präsentierende Zelle). T-Zellen vom Typ
CD4 binden an die APZ. Die so
aktivierten T-Zellen lösen in der
Darmschleimhaut eine schmerzhafte
Entzündungsreaktion aus.
dort bei Zöliakiepatienten nach weiterer biochemischer Modifikation aufgrund ihrer immunogenen Epitope die
autoimmune Reaktion.
Weltweit zählen wir über 24.4 Millionen registrierte Zöliakiefälle. Die
einzige bisher bekannte Therapie ist
eine totale Abstinenz von Nahrungsmitteln, die Weizen, Roggen oder
Gerstenproteine enthalten.
Unsere Fragestellung als Pflanzenforscher liegt auf der Hand: Können
wir Getreide züchterisch so verändern,
dass neue Sorten keine krankheitsauslösenden Prolaminbestandteile mehr
besitzen und damit als Grundlage für
eine vorsorgende und kurative Strategie zur Bekämpfung der Zöliakie
dienen könnten? Abgesehen von der
technologischen Komplexität einer
solchen Aufgabe stellt sich sofort die
Frage nach der Rolle der immunogenen Prolamine im Weizenkorn und ob
sie bei der Verwertung des Weizens
durch den Menschen, also etwa in
puncto Backqualität von Bedeutung
sind?
14
Gluten befindet sich im so genannten Endosperm des Getreidekorns
und dient den Getreidepflanzen als
Speicher von Aminosäuren für den
sich entwickelnden Korn-Embryo.
Das Gluten ist, wie der Name Klebereiweiß sagt, außerdem für die
Backqualität des Weizenmehls verantwortlich. Allerdings ergeben sich
durch eine etwas tiefere Betrachtung
einige höchst interessante und glückliche Hinweise. Das Klebereiweiß des
Weizens setzt sich nämlich aus zwei
Fraktionen zusammen: eine, die aus
Proteinen besteht, die für die Backqualität verantwortlich sind, und eine
andere, die aus den für die meisten
Zöliakiefälle verantwortlichen niedermolekularen Prolaminen besteht.
Nach heutigem Erkenntnisstand bestimmt alleine das hochmolekulare
Weizenglutenin die Teig- und Brotbackeigenschaften. Ein interessanter
Versuch von Ingo Bauer von der Technischen Universität Berlin hat das in
neuerer Zeit nochmals deutlich gezeigt: Nach Entfernung aller GlutenProteine und selektiver Zugabe des
gereinigten hochmolekularen Glutenins zeigte der resultierende Teig
gute Backeigenschaften, d.h. nach
diesen Ergebnissen ist nur das für
die meisten Zöliakiepatienten unbe-
denkliche hochmolekulare Glutenin
im Mehl benötigt (Bauer, 2006).
Wäre es also möglich, Weizen frei
von Prolaminen herzustellen? Um
diese Frage zu beantworten, kooperieren wir seit drei Jahren in einem
internationalen Zöliakieprojekt mit
Wissenschaftlern einer chinesischen
Arbeitsgruppe der Northeast Normal University Changchun sowie mit
Diter von Wettsteins und Kulvinder
Gills amerikanischen Arbeitsgruppen
an der Washington State University,
Pullman. Wir waren uns schnell über
das Ziel des Projekts einig: Zunächst
sollte geklärt werden, wie eine gezielte Ausschaltung des krankheitsverursachenden Prolaminanteils erreicht
werden könnte. In einem zweiten
Schritt sollten die Eigenschaften des
veränderten Weizens überprüft, insbesondere seine Backqualität getestet
werden. Wären diese Ziele erreicht
und die erwartete Qualität des veränderten Weizens nachgewiesen, sollten
mit modernen Zuchtverfahren, wie
dem TILLING (Targeting Induced Local
Lesions In Genomes), marktreifer Weizen erzeugt werden.
An dieser Stelle muss deutlich gesagt
werden, dass das Ziel, Prolamin-freien
Weizen herzustellen, sehr ambitioniert
ist, vor allem deshalb, weil über die
Justus-Liebig-Universität Gießen
„Glutenfreier“ Weizen
biochemische Regulation der Gene
der Speicherproteine im Getreidekorn
erstaunlicherweise und trotz der enormen Bedeutung für die Ernährung
des Menschen fast nichts bekannt ist.
Dies bedeutet aber auch, dass jede Forschung mit dem Ziel, Hilfe für Zöliakiepatienten zu bringen, gleichzeitig auch
einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung erwarten lässt.
Erste experimentelle Schritte
Züchtung in Weizen ist sehr aufwändig, denn Weizen hat eine sehr
komplexe Genomstruktur und ist hexaploid, d.h. die Zellen haben einen
sechsfachen Satz von sieben Chromosomen. Deshalb bedienen wir uns
eines Tricks. Wir nutzen die große
genetische Ähnlichkeit (Syntenie) von
Weizen und Gerste, denn Gerste hat
ein wesentlich weniger komplexes Genom: Es ist diploid, hat also nur einen
zweifachen Chromosomensatz. Bei
der Suche nach Möglichkeiten, alle
Prolamingene in einem Streich zu
inaktivieren, kamen uns frühere Untersuchungen zur Ernährungsbalance
von Gerste zu Hilfe.
Wie bereits erwähnt, dient Gluten
den Getreidepflanzen als Speicher
für Aminosäuren für den keimenden
Em­
bryo im Korn. Der hohe Gehalt
des Klebereiweiß an Glutamin und
Prolin resultiert in einem geringen
Lysin­gehalt, die damit die erste limitierende Aminosäure in den Getreideproteinen für Menschen und monogastrische Tiere ist. In den 70er
Jahren des letzten Jahrhunderts wurden deshalb umfangreiche Zuchtprogramme durchgeführt, die zum Ziel
hatten, den Gehalt an der essentiellen
Aminosäure Lysin im Korn zu erhöhen.
Dabei wurden Gerstenpflanzen identifiziert, die eine einzelne Mutation im
Gen Lys3a besitzen, welches bisher
nicht identifiziert ist. Bei der Analyse dieser lys3a-Pflanzen zeigte sich
zufällig, dass der erhöhte Gehalt an
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2011
Lysin einhergeht mit einem Verlust an
Prolaminen (bei der Gerste heißen sie
eigentlich Hordeine, aber wegen des
besseren Verständnisses unterscheiden wir hier nicht die verschiedenen
Getreideprolamine). Die Produktion
der höher molekularen Glutenproteine
war jedoch unverändert. Dieser zufällige Befund zeigte uns nun, dass unser
Ziel, Prolamin-freien Weizen herzustellen, im Prinzip durch genetische
Modifikationen zu erreichen ist.
Aber wie kann eine einzige Genmutation zum Ausfall einer ganzen
Gruppe von Genen führen? In der
schen Imprinting“ durch Methylierung bzw. Demethylierung der Genpromotoren (siehe Text „Genomische
Prägung“) hat man in den letzten
Jahren in der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana)
studiert. Demethylierung benötigt
drei Enzyme: Das erste schneidet die
methylierten Cytosin-Nukleotide mittels Deglykosylase aus der DNA heraus, nachfolgend bindet ein weiteres
Enzym ein unmethyliertes CytosinNukleotid an den geöffneten Strang,
und schließlich verbindet eine Ligase
die offenen DNA-Strangenden.
„Gluten“: Gluteline und Prolamine
Als Gluten bezeichnet man eine Gruppe von Proteinen im Getreide-Korn,
die als Speicherproteine der Ernährung des Keimlings dienen und reich
an den Aminosäuren Glutamin (oder Asparagin), Prolin und Arginin sind.
Man unterscheidet aufgrund physikochemischer Eigenschaften zwei
Fraktionen: die Gluteline und Prolamine, wobei man diese wiederum in
Hoch- und Niedermolekulare einteilt. Im Weizen werden diese Fraktionen Glutenine und Gliadine genannt. Die Prolamine der Gerste werden
Hordeine, die des Roggens als Secaline bezeichnet.
l­ys3a-Mutante wird eine ganze Gruppe von Prolaminen weder in den Blättern noch in den reifenden Körnern
gebildet. Dass die Prolamine in den
Blättern nicht gebildet werden, ist
normal, da die Promotoren, d.h. die
für die Steuerung der Produktion
verantwortlichen
Kontroll-DNA-Abschnitte der Gene, durch Methylierung inaktiv sind. Im sich entwickelnden Endosperm des Korns wird diese
Blockade durch gezielte Entfernung
der Methylgruppen (Demetylierung)
normalerweise aktiv aufgehoben, wodurch die Promotoren aller Mitglieder
der Prolamingruppe aktiviert werden.
Die Demethylierung findet jedoch in
der Mutante nicht statt, und somit
bleibt die Synthese aller Prolamine
gehemmt (Sørensen, 1992).
Diesen Prozess der Genregulation
und des damit verwandten „genomi-
Das DEMETER(DME)-Gen, welches
ein Enzym mit Deglykosylaseaktivität
kodiert, wurde bereits aus Arabidopsis und Reis isoliert (Choi et al., 2002).
In Arabidopsis konnte gezeigt werden,
dass DME eine bedeutende Rolle bei
der Samenentwicklung nach der Befruchtung des Embryos spielt, was
sich im Namen widerspiegelt, der für
das Gen gewählt wurde: DEMETER ist
der Name der griechischen Fruchtbarkeitsgöttin (Abb. 3).
Da die Produktion der Prolamine
durch den aktiven Prozess der Demethylierung von Promotoren gesteuert
wird und das DME-Gen mit entsprechender Funktion im Samen bekannt
ist, lag es nahe zu vermuten, dass das
entsprechende Gen in Gersten- und
Weizenpflanzen auch vorhanden ist.
Die Folge einer Mutation des Gens
wäre, so nun unsere Hypothese, dass
15
Langen, Kogel, von Wettstein
die Produktion der kleinen Prolamine
während der Samenentwicklung in
diesen Pflanzen nicht aktiviert werden
kann. Diese Mutanten hätten, so ist anzunehmen, den gleichen Phänotyp wie
die bekannten lys3a-Gerstenpflanzen:
ein Fehlen der die Zöliakie verursachenden niedermolekularen Prolamine,
eine unveränderte Backeigenschaften
und – ein zusätzlicher positiver Effekt
– einen erhöhten Lysingehalt.
Um das DME-Gen der Gerste zu identifizieren, wurde ausgehend von einem
konservierten Bereich des bekannten
Arabidopsis-Gens ein Fragment isoliert und damit eine Klonbibliothek
der Gerste mit Hilfe der so genannten
„Southern“-Hybridisierung durchsucht.
So konnte die vollständige Sequenz
des DME-Gens aus der Gerste ermittelt werden, das tatsächlich eine große
Ähnlichkeit mit Arabidopsis- und ReisDME hat. In einem weiteren Schritt
Abb. 3: Demeter ist der Name einer
Muttergöttin aus dem griechischkleinasiatischen Raum. Sie war
zuständig für die Fruchtbarkeit der
Erde, das Getreide, die Saat und die
Jahreszeiten. U.a. wurde sie auch als
Gerstenmutter bezeichnet. Ihr
römischer Name ist Ceres (Cerealien
= Getreideprodukte). Aus: Dr.
Vollmers Wörterbuch der Mythologie
aller Völker, dritte Edition Stuttgart
1874. [http://commons.wikimedia.
org/wiki/Image:Demeter.png].
konnten wir zeigen, dass das GerstenDME-Gen, wie die Prolamingene, nur
im Endosperm aktiv ist (Abb. 4).
Wie können nun diese Ergebnisse
aus der Gerste auf den Weizen übertragen werden? Im langen Arm von
Chromosom 5 in den Genomen A, B
und D, mit welchen von Züchtern vor
10.000 Jahren Brotweizen geschaffen wurde, befindet sich je ein DME-
Der Begriff „Genomische Prägung“ (Genomic im­
printing) beschreibt eine von der klassischen Mendelschen Vererbung unabhängige Art: „Imprinted
Genes“ werden abhängig von ihrer elterlichen
Herkunft in aktiver oder inaktiver Form vererbt. So
wird sichergestellt, dass jeweils nur ein bestimmtes Allel eines Gens entweder von väterlichen oder
Genomische Prägung
mütterlichen Chromosomen aktiv ist, d.h. im Embryo werden bestimmte Eigenschaften nur durch das
väterliche oder mütterliche Gen bestimmt („Prägung“). Geprägte Chromosomenbereiche zeigen
zusätzlich zur Basenfolge, dem genetischen Code,
epigenetische Modifikationen der DNA. Sie unterscheiden sich in ihren DNA-Methylierungsmustern.
In diesen Bereichen ist an das Kohlenstoffatom 5
der Base Cytosin innerhalb der Dinukleotidsequenz
CG eine Methylgruppe angeheftet. Finden solche
Methylierungen in den regulatorischen Promotorbereichen statt, inaktiviert das in der Regel die betroffenen Gene. Diese epigenetischen Muster werden normalerweise nicht vererbt, sondern in den
16
Gen. Wir haben eine genomische
Weizenbibliothek von 1,3 Millionen
DNA-Sequenzen mit einem Stück der
DME Sequenz aus Gerste als Probe
mit Hilfe der „Southern“-Hybridisierung durchsucht und zwölf Treffer erzielt. Partielle Sequenzierung zeigte,
Keimzellen wieder gelöscht und geschlechtsspezifisch neu angelegt.
In der Gerste sind die Promotorbereiche bestimmter Prolamin-Gene (B-Hordein), welche für die Speicherproteine kodieren, im Embryo und allen anderen
Pflanzenteilen methyliert und somit inaktiv. Nur im
Endosperm sind die Promotoren demethyliert und
somit aktiv. Dies stellt somit ein dem Genomic Imprin­
ting vergleichbares Regulationsprinzip für die Endosperm-spezifische Expression von Genen dar.
Genomische Prägung wurde bei vielen (Säuge-)
Tieren und Pflanzen beschrieben, wobei unklar ist,
ob der zugrundeliegende Mechanismus bei Pflanzen
und Tieren der gleiche ist. In der Pflanze Arabidopsis thaliana wurde das Gen DEMETER identifiziert,
das für ein Enzym mit Deglycosylase-Aktivität kodiert. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Enzym
für die aktive Löschung der Methylierungsmuster im
mütterlichen Nährgewebe, dem Endosperm, benötigt wird. Höhere Pflanzen (Angiospermae) haben
eine doppelte Befruchtung: Zum einen wird durch
den männlichen Pollen die Eizelle befruchtet, und
ein Embryo entwickelt sich. Zum anderen wird aber
auch die Embryosackzelle befruchtet, aus der sich
das Endosperm entwickelt.
Justus-Liebig-Universität Gießen
„Glutenfreier“ Weizen
dass drei dieser Klone von den drei
Weizengenomen stammen, und diese werden jetzt mit „next generation
sequencing“-Technologie sequenziert.
Wie finden wir nun Weizenpflanzen mit Mutationen in diesen Genen?
Dafür arbeiten wir mit Arcadia Bioscience in Seattle zusammen. Die Forscher dieses Unternehmens haben
eine Methode entwickelt, aus Tausenden von Mutanten diejenigen zu identifizieren, die in dem interessierenden
Gen mutiert sind. Arcadia hat mit dem
von Züchtern häufig verwendeten chemischen Mutagen Ethylmethansulfonat Tausende von Weizenmutanten in
der Brotweizensorte „Express“ und
im tetraploiden Hartweizen „Kronos“ erzeugt. Durch die verwendete
TILLING-Methode (Targeting Induced Local Lesions In Genomes), einer
neuen Präzisionszüchtungsmethode
(smart breeding) konnten gezielt aus
der Mutantensammlung mittels PCR
(Polymerase-Kettenreaktion) Pflanzen
mit Mutationen im DME-Gen identifiziert werden. Diese werden derzeit auf
Inaktivierung des Gens geprüft und
vermehrt. Da sich die drei DME-Gene
des Weizens unterscheiden, können
mit dieser „nicht-gentechnologischen“
Methode gezielt Mutanten für die
einzelnen DMEs identifiziert werden.
Durch klassische Kreuzung dieser
Mutanten lassen sich somit Weizenpflanzen ohne aktives DME-Gen herstellen. Tatsächlich ist es gelungen,
einige TILLING-Mutanten zu identifizieren, die eine reduzierte Aktivität
der DME-Gene im sich entwickelnden
Weizengen aufweisen (Abb. 5). Zurzeit überprüfen wir die Effizienz der
Mutationen zur Unterdrückung der
Synthese der kleinen Prolamine in den
Körnern.
Inaktivierung der
Weizen-DEMETER-Gene
Das
Testen
der
verschiedenen
T ILLING-Mutanten und die Kombi­
nation der einzelnen DME-Mutanten
sowie eine Rückkreuzung mit dem
Ziel einer marktreifen Weizensorte ist
Abb. 4: Nachweis der Expression
(Aktivität) von Prolamingenen – in
Gerste „Hordeine“ genannt. Die unter­schiedlichen Gene sind im sich entwickelnden Gerstenkorn, jedoch nicht
im Blatt aktiv (beachte: keine Banden
unter der Säule „leaf“). Gezeigt wer­den in diesem Gelblot die sich neu
bildenden mRNAs (Banden) der entsprechend aktiven Gene. Das DEMETER-Gen der Gerste zeigt ebenfalls
eine Aktivität. Es handelt sich hier um
semi-quantitative RT-PCR-Ergebnisse
mit isolierten RNAs aus 2 bis 6 mm
großen unreifen Gerstenkörnern
(Endosperm) und -blättern. NTC:
non-template control (= Negativkontrolle); Ubiquitin (= Positivkontrolle).
leider sehr zeitaufwändig und dauert
voraussichtlich länger als zehn Jahre.
Einen schnelleren Weg zur gezielten
Inaktivierung der drei DEMETERGene des Weizens bietet die Biotechnologie mit dem Einsatz so genannter
artifizieller microRNAs (amiRNA).
MicroRNAs sind 20-23 Nukleotid
lange
Einzelstrang-Ribonukleinsäure-Moleküle, die von microRNA-kodierenden Genen, wie im Einzelnen
in Abbildung 6 beschrieben, gebildet
werden. Diese kleinen RNAs paaren
sich mit der mRNA eines korrespondierenden Gens, worauf ein als Argo-
Abb. 5. Kristallographisches
Modell des aktiven Zentrums des
DNA-Reparatur-Enzymes Endonu­
clease III mit Identität zum aktiven
Zentrum des DEMETER-Gens
(5-Methyl-Cytosin Glycosylase) aus
Weizen. Ein Ersetzen der Aminosäuren 1, 2, oder 3 in der Helix-hairpinHelix-Domäne oder 4 in der Eisenschwefel-Protein-Domäne durch
Mutation kann DME inaktivieren und
damit die Bildung der immunogenen
Prolamine im Samen unterdrücken.
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2011
17
Langen, Kogel, von Wettstein
Abb. 6: Zahlreiche microRNA-Orte
im Genom kodieren für ~1kb PromiRNA, die von der RNA-Polymerase
II transkribiert werden. Der Haarnadel-Faltteil des Transkripts wird vom
DICER-LIKE I (DCL1) in Kombination
mit dem Doppelstrang bindenden
Protein HYL1 und dem ENHANCER
HEN1 zerschnitten, um den miRNAmiRNA*-Duplex zu bilden. Dieses
Molekül wird vom Zellkern ins
Zytoplasma transportiert, wo ein
Strang mit der Ziel-mRNA paart und
von dem Argonaut-Enzym (AGO1)
zerschnitten wird. [http://wmd3.
weigelworld.org, nach Kidner und
Martienssen, (2005). Curr. Opin.
Plant Biol. 8:38-44]
naut bezeichnetes Enzym die mRNA
zerschneidet. Durch diesen Prozess
wird die Synthese des durch die
mRNA kodierten Proteins verhindert.
Wir haben mit Hilfe eines
­m icroRNA-Designers (http://wmd3.
weigelworld.org/cgi-bin/webapp.cgi)
nun amiRNAs mit Homologie zum
DME-Gen synthetisiert. Von diesen
erwarten wir, dass sie spezifisch die
DME-Gene des Weizens ausschalten werden. Die künstlichen amiR-
NAs wurden anschließend von uns
in Weizen transformiert. Die ersten
transgenen Weizenpflanzen mit den
ausgewählten amiRNA-Genen sind
in der Abbildung auf Seite 12 dar­
gestellt.
DIE AUTOREN
Gregor Langen, Jahrgang 1964,
Studium der Biologie an der RWTH
Aachen. Diplom in Biologie, Promotion (Dr. rer nat.) 1995 an der RWTH
Aachen auf dem Gebiet der Pflanzenphysiologie zum Thema „Molekulare
Erkennungsreaktionen im Wirt-Parasit-System Weizen-Weizenschwarzrost“. 1995 bis 1998 Post-Doc am
Landwirtschaftszentrum Monheim in
der Abteilung Molekulare Wirkstoff-
18
forschung / Biotechnologie der Bayer
Cropscience AG. Seit 1998 Akademischer Rat am Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie der
Justus-Liebig-Universität Gießen.
Karl-Heinz Kogel, Jahrgang 1956,
Studium der Biologie und Sozialwissenschaften an der RWTH Aachen.
Diplom in Biologie, Promotion (Dr.
rer nat.) an der RWTH 1984 auf
dem Gebiet der Pflanzenphysiologie. 1983 Gastwissenschaftler am
Weizman Institute of Science, Rehovot, Israel, 1986 bis 1988 PostDoc am Max-Planck-Institut für
Züchtungsforschung in Köln. 1988
bis 1990 Tätigkeit als Patentanwalt
im Bereich der Bio-Patente. 1996
Habilitation an der RWTH Aachen
über biochemische Mechanismen
der Krankheitsentwicklung an Getreidepflanzen. Seit 1996 Professor
am Institut für Phytopathologie und
Angewandte Zoologie (IPAZ) der
Justus-Liebig-Universität Gießen.
Von 2006 bis 2009 Vizepräsident
der Universität Gießen. Mitglied der
DFG-Senatskommission für Stoffe
und Ressourcen in der Landwirtschaft (2000-2006). Koordinator
Justus-Liebig-Universität Gießen
„Glutenfreier“ Weizen
Für Zöliakiepatienten stellt der Verzicht auf sämtliche Getreideprodukte
eine starke Verminderung der Lebensqualität dar. Auch kommt es durch den
unbeabsichtigten Verzehr von prolaminhaltiger Nahrung trotzdem immer
wieder zu schmerzhaften Darmkrämpfen. So kommt das Klebereiweiß z.B.
auch in Kartoffelchips oder Popcorn
vor, da es bevorzugt von der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt wird.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten wird
deshalb u.a. an einer weiteren Therapie für Zöliakiepatienten geforscht:
So sollen durch tägliche Einnahme
einer Tablette mit dem Enzym ProlylEndopeptidase die schädlichen Peptide zerstört und damit die Toleranz
gegenüber getreidehaltiger Nahrung
erhöht werden. Trotzdem müssten die
Patienten soweit möglich auf Getreideprodukte verzichten und lebenslang
das Medikament vor jeder Mahlzeit
einnehmen. Dahingegen besitzt unser
züchterischer Ansatz erhebliche Vorteile: Sollte die Neuzüchtung gelingen,
der DFG-Forschergruppe 343 „Erhöhung des Resistenzpotentials der
Gerste“ (1999-2005). Seit 2006 Koordinator der DFG-Forschergruppe
666 „Mechanismen der Krankheitskompatibilität“. Seit 2010 Mitglied
der Ungarischen Akademie der
Wissenschaften. Seine Forschungsschwerpunkte sind Zellbiologische
Arbeiten zum Mechanismus der
Krankheitsresistenz bei Getreiden,
Biologischer Pflanzenschutz und
Pflanzenbiotechnologie.
Diter von Wettstein, Jahrgang 1929,
Studium der Biologie in Tübingen.
Promotionen in Biologie und Biochemie 1953 (Dr. rer. nat) in Tübingen, in Genetik 1953 (Ph.D.) und
1957 (D.Sc.) in Stockholm (Schwe-
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2011
können zukünftig prolaminfreie Getreideprodukte mit unveränderten Backeigenschaften angeboten werden. •
ǺǺ
LITERATUR
Bauer I. (2006): Produktion funktioneller Weizenspeicherproteine in transgenen Stämmen der Hefe Saccharomyces cerevisiae, http://opus.kobv.
de/tuberlin/volltexte/2006/1194/
Sørensen M.B. (1992): Methylation
of B-hordein genes in barley endosperm is inversely correlated with
gene activity and affected by the regulatory gene Lys3. Proc. Natl. Acad.
Sci. USA 89:4119-23
Choi Y., Gehring M., Johnson L.,
Hannon M., Harada J.J., Goldberg
R.B., Jacobsen S.E., and Fischer
R.L. (2002): DEMETE�������������
�������������������
R, a DNA glycosylase domain protein, is required
for endosperm gene imprinting and
seed viability in Arabidopsis. Cell
110:33–42
den). 1962-1975 Professor und Leiter des Instituts für Genetik an der
Universität Kopenhagen, 1972-1996
Professor und Leiter der Physiologischen Abteilung der CarlsbergLaboratorien in Kopenhagen. Außer-
dem von 1975 bis 1988 Direktor des
Carlsberg Plant Breeding Institute.
Seit 1996 R.A. Nilan Distinguished
Professor am Department of Crop
and Soil Sciences & School of Mole-
Janatuinen E.K., Kemppainen T.A.,
Julkunen R.J., Kosma V.M., Mäki
M., Heikkinen, M., Uusitupa, M.I.
(2002): No harm from five year ingestion of oats in coeliac disease.
Gut 50:332-5
Kidner C.A. and Martiensen R.A.
(2005): The developmental role of
microRNA in plants. Curr. Opin. in
Plant Biol. 8: 38-44
Deutsche Zöliakie-Gesellschaft e.V.:
(http://www.dzg-online.de)
KONTAKT
Prof. Dr. Karl-Heinz Kogel
Dr. Gregor Langen
Justus-Liebig-Universität
Institut für Phytopathologie und
­A ngewandte Zoologie
Heinrich-Buff-Ring 26-32, 35392 Gießen
Telefon: 0641 99-37490/-37493
[email protected]
[email protected]
Prof. Dr. Diter von Wettstein
Department of Crop & Soil Sciences,
Washington State University
Pullman, WA 99164-6420, USA
[email protected]
cular Biosciences, Washington State
University, Pullman, USA. Seit 2007
durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderter Mercator-Gastprofessor am Institut für
Phytopathologie und Angewandte
Zoologie der Justus-Liebig-Universität Gießen. Prof. v. Wettstein ist Mitglied der National Academy of Sciences USA, der Deutschen Akademie
der Naturforscher Leopoldina und
zahlreicher weiterer internationaler
Akademien. Er ist Ehrenmitglied der
Swedish Seed Association, Svalöf,
und wurde mit dem Lillö-StiftelsensPreis für genetische Forschung, der
Gregor Mendel-Medaille, der Kurt
Mothes-Gold-Medaille der Leopoldina ausgezeichnet und ist Dr. agro.
h.c. an der Universität Kopenhagen.
19